Kolektiv galaksije koji se sudara

U svemiru gotovo da nema antimaterije i nitko ne zna zašto

Svemir je ispunjen nečim, za razliku od ničega, a znanstvenici to ne razumiju.

Kad pogledamo okolo svemir:

  • na planetama i zvijezdama,
  • na galaksijama i skupinama galaksija,
  • i na plinu, prašini i plazmi koji naseljavaju prostor između tih gustih struktura,

svugdje nalazimo iste potpise. Vidimo atomske linije apsorpcije i emisije, vidimo materiju koja djeluje u interakciji s drugim oblicima materije, vidimo stvaranje zvijezda i zvjezdane smrti, sudare, X-zrake i još mnogo toga. Postoji očigledno pitanje koje traži objašnjenje: zašto su sve te stvari, a ne ništa? Ako su zakoni fizike simetrični između materije i antimaterije, svemir koji danas vidimo trebao bi biti nemoguć. Ipak smo tu i niko ne zna zašto.

Na svim mjerilima u Svemiru, od našeg lokalnog susjedstva do međuzvjezdanih medija, do pojedinih galaksija, klastera do niti i velikog kozmičkog spleta, sve što promatramo čini se da je napravljeno od normalne materije, a ne od antimaterije. Ovo je neobjašnjiva misterija. (NASA, ESA I HUBBLE NASLEDNJI TIM (STSCI / AURA))

Razmislite o ove dvije naizgled oprečne činjenice:

1.) Svaka interakcija između čestica koju smo ikada promatrali, pri svim energijama, nikada nije stvorila ili uništila niti jednu česticu materije, a da nije stvorila ili uništila jednak broj čestica antimaterije. Fizička simetrija između materije i antimaterije još je stroža od ovoga:

  • svaki put kada stvorimo kvark ili lepton, stvorimo i antikvark ili antilepton,
  • svaki put kad se uništi kvark ili lepton, antikvark ili antilepton također se uništi,
  • stvoreni ili uništeni leptoni i antileptoni moraju biti ravnotežni u svakoj familiji leptona i
  • svaki put kad kvark ili lepton dožive interakciju, sudar ili propadanje, ukupni neto broj kvarkova i leptona na kraju reakcije (kvarkovi minus antikvarkovi, leptoni minus antileptoni) na kraju je isti kao i na početku.

Jedini način na koji smo ikada promijenili količinu materije u Univerzumu je da promijenimo svemirsku antimateriju u jednakom iznosu.

Proizvodnja parova tvari / antimaterije (lijevo) iz čiste energije potpuno je reverzibilna reakcija (desno), pri čemu se materija / antimaterija uništava natrag u čistu energiju. Kad se foton stvori, a zatim uništi, on doživljava te događaje istovremeno, dok je uopće nesposoban doživjeti bilo što drugo. (DMITRI POGOSYAN / UNIVERZITET ALBERTA)

I još, tu je druga činjenica:

2.) Kad pogledamo Svemir, sve zvijezde, galaksije, plinske oblake, klastere, superklastere i strukture najvećeg razmjera svuda, čini se da je sve sastavljeno od materije, a ne od antimaterije. Kad god se i gdje god susreću antimaterija i materija u Svemiru, dolazi do fantastičnog izljeva energije zbog uništavanja čestica-antičestica.

Ali ne vidimo nijedan potpis materije koja bi uništavala antimateriju na najvećim mjerilima. Ne vidimo nikakve dokaze da su neke zvijezde, galaksije ili planeti koje smo opazili napravljeni od antimaterije. Ne vidimo karakteristične gama zrake za koje bismo očekivali da se neki antimaterijski dijelovi sudaraju (i uništavaju) s dijelovima materije. Umjesto toga, to je materija, svugdje je materija, u istom obilju gdje god pogledamo.

Sadržaj materije i energije u Svemiru u današnje vrijeme (lijevo) i u ranijim vremenima (desno). Imajte na umu prisutnost tamne energije, tamne materije i prevagu normalne materije nad antimaterijom, koja je toliko mala da ne doprinosi ni u jednom od prikazanih vremena. (NASA, MODIFICIRALO KORISNIK WIKIMEDIA COMMONS 老陳, DALJE MODIFICIRANO E. SIEGEL)

Čini se kao nemogućnost. S jedne strane, nije poznat način da se s obzirom na čestice i njihove interakcije u Svemiru napravi više od antimaterije. S druge strane, sve što vidimo definitivno je napravljeno od materije, a ne antimaterije.

Zapravo smo promatrali uništavanje materije i antimaterije u nekim ekstremnim astrofizičkim sredinama, ali samo oko hiperenergetskih izvora koji stvaraju tvar i antimateriju u jednakim količinama, poput masivnih crnih rupa. Kad antimaterija naiđe na materiju u Svemiru, ona proizvodi gama zrake vrlo specifičnih frekvencija koje tada možemo otkriti. Međuzvjezdani i intergalaktički medij prepun je materijala, a potpuni nedostatak ovih gama zraka jak je signal da nema velikih količina čestica antimaterije koje lete negdje okolo jer bi se taj supstanca / antimaterijski potpis pokazao.

Mnogi primjeri zvijezda, maglina, plina, prašine i drugih oblika materije mogu se vidjeti kako djeluju unutar Mliječnog puta i izvan njega. U svakom slučaju vidimo puno dokaza o apsorpciji i emisiji, ali nema dokaza da je bilo koji astrofizički objekt prvenstveno sastavljen od antimaterije, a ne od materije. (HUBBLE HERITAGE TEAM (AURA / STSCI), C. R. O'DELL (VANDERBILT), NASA)

Ako biste bacili jednu česticu antimaterije u mješavinu naše galaksije, to bi trajalo samo oko 300 godina prije nego što se uništi s česticom materije. To ograničenje govori nam da u Mliječnom putu količina antimaterije ne može biti veća od jednog dijela u kvadrilliju (10¹⁵) u odnosu na ukupnu količinu materije.

Na većim mjerilima - satelitskim galaksijama, velikim, galaksijama Mliječnog Puta, pa čak i ljestvicama klastera galaksija - ograničenja su manje stroga, ali su i dalje vrlo snažna. Promatrajući udaljenosti od nekoliko milijuna svjetlosnih godina do više od tri milijarde svjetlosnih godina, primijetili smo jakost X-zraka i gama zraka koje bismo očekivali od istrebljenja materije i antimaterije. Čak i na velikim, kosmološkim mjerilima, 99,999% + onoga što postoji u našem Svemiru definitivno je materija (poput nas), a ne antimaterija.

Bilo u klasterima, galaksijama, našem zvjezdanom susjedstvu ili našem Sunčevom sustavu, imamo ogromne, snažne granice udjela antimaterije u Svemiru. Ne može biti sumnje: sve u Svemiru dominira materija. (GARY STEIGMAN, 2008, VIA ARXIV.ORG/ABS/0808.1122)

Pa kako smo danas došli ovdje, sa Univerzumom sastavljenim od puno materije i gotovo bez antimaterije, ako su zakoni prirode potpuno simetrični između materije i antimaterije? Pa, postoje dvije mogućnosti: ili se svemir rodio s više materije nego antimaterije, ili se nešto dogodilo rano, kad je svemir bio vrlo vruć i gust, stvoriti asimetriju materije / antimaterije tamo gdje je u početku nije bilo.

Ta je prva ideja znanstveno neponovljiva bez ponovnog stvaranja čitavog Svemira, ali druga je prilično uvjerljiva. Ako je naš Svemir nekako stvorio asimetriju materije / antimaterije tamo gdje u početku to nije bilo, pravila koja su tada igrala trebala bi danas ostati nepromijenjena. Ako smo dovoljno pametni, možemo osmisliti eksperimentalne testove kako bismo otkrili porijeklo materije u našem Svemiru.

Čestice i antičestice Standardnog modela pridržavaju se svih vrsta zakona očuvanja, ali postoje neznatne razlike između ponašanja određenih parova čestica / antičestica koje mogu nagovijestiti porijeklo bariogeneze. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Krajem 1960-ih, fizičar Andrei Saharov identificirao je tri uvjeta neophodna za bariogenezu, odnosno stvaranje više bariona (protona i neutrona) nego anti-barijeni. Oni su kako slijedi:

  1. Svemir mora biti izvan-ravnotežni sustav.
  2. Mora pokazati kršenje C i CP.
  3. Moraju postojati interakcije koje krše barion.

Prvi je jednostavan, jer se širi, hladeći Svemir s nestabilnim česticama (i / ili antičesticama) u njemu, po definiciji, iz ravnoteže. I druga je jednostavna, budući da su "C" simetrija (zamjena čestica antičesticama) i "CP" simetrija (zamjena čestica zrcalno reflektiranim anti česticama) povrijeđene u mnogim slabim interakcijama koje uključuju čudne, šarme i donje dijelove.

Normalni mezon vrti se u smjeru suprotnom od kazaljke na satu oko svog Sjevernog pola, a zatim propada, a elektron se emitira duž smjera Sjevernog pola. Primjena C-simetrije zamjenjuje čestice anti česticama, što znači da bi se antimeon trebao vrtjeti u smjeru suprotnom od kazaljke na satu oko njegovog raspada Sjevernog pola emitirajući pozitroni u smjeru Sjever. Slično tome, P-simetrija vrti ono što vidimo u ogledalu. Ako se čestice i antičestice ne ponašaju potpuno isto u C, P ili CP simetriji, kaže se da je ta simetrija narušena. Do sada, samo slaba interakcija krši bilo koju od ove tri. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

To ostavlja pitanje kako prekršiti barionov broj. Eksperimentalno, vidjeli smo da se ravnoteža kvarkova prema antikvarkovima i leptonima prema antileptonima izričito čuva. Ali u Standardnom modelu fizike čestica, ne postoji izričit zakon očuvanja ni za jednu od tih količina pojedinačno.

Potrebna su tri kvarka da napravimo barion, pa za svaka tri kvarka dodijelimo broj bariona (B) od 1. Slično tome, svaki lepton ima lepton broj (L) od 1. Antikvarkovi, antibarijoni i antileptoni imaju negativan B i L brojevi, prema tome.

Ali prema Standardnom modelu, to je samo razlika između barijona i leptona, B - L, koji je sačuvan. Pod pravim okolnostima, ne možete stvoriti samo dodatne protone, već možete napraviti elektrone koje trebate ići s njima. Točne okolnosti možda su nepoznate, ali vrući Veliki prasak pružio im je priliku da se ustanu.

Na visokim temperaturama koje su postignute u vrlo mladom Svemiru ne mogu se spontano stvoriti samo čestice i fotoni, s obzirom na dovoljno energije, već i antičestice i nestabilne čestice, što rezultira primordijalnom juhom od čestica i antičestica. Pa čak i uz ove uvjete, može nastati samo nekoliko specifičnih stanja ili čestica. (BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY)

Najraniji stupnjevi svemira opisani su nevjerojatno visokim energijama: dovoljno visokim da stvori svaku poznatu česticu i antičestice u velikom obilju preko Einsteinove poznate E = mc². Ako stvaranje i uništavanje čestica funkcionira onako kako mi mislimo, rani Svemir bi trebao biti ispunjen jednakim količinama tvari i čestica antimaterije, sve međusobno pretvaranje jednih u druge, jer raspoloživa energija ostaje izuzetno velika.

Kako se svemir širi i hladi, nestabilne čestice, jednom stvorene u velikom obilju, propadaju. Ako se ispune pravi uvjeti - konkretno, tri Saharova uvjeta - oni mogu dovesti do viška materije nad antimaterijom, čak i tamo gdje ih u početku nije bilo. Izazov za fizičare jest stvaranje održivog scenarija, u skladu s promatranjima i eksperimentima, koji vam mogu dati dovoljno viška tvari nad antimaterijom.

Kad se prekine simetrija elektro slabe, kombinacija kršenja CP-a i kršenja broja barijena može stvoriti materiju / antimateriju asimetriju tamo gdje dosad nije bilo, zahvaljujući učinku sfaleronskih interakcija koje djeluju na neutrino višak. (UNIVERZITET HEIDELBERG)

Tri su vodeće mogućnosti kako je mogao nastati ovaj višak tvari nad antimaterijom:

  1. Nova fizika na ljestvici elektro slaba mogla bi uvelike povećati količinu kršenja C i CP u svemiru, što bi dovelo do asimetrije između materije i antimaterije. Interakcije standardnog modela (kroz shaleronski postupak), koje pojedinačno krše B i L (ali ipak čuvaju B - L), tada mogu stvoriti prave količine bariona i leptona.
  2. Nova neutrinska fizika pri visokim energijama, o kojoj imamo nevjerojatan nagovještaj, mogla bi stvoriti temeljnu leptonovu asimetriju već na početku: leptogeneza. Shaleroni, koji čuvaju B - L, tada bi mogli upotrijebiti tu leptonovu asimetriju za stvaranje barionske asimetrije.
  3. Ili bariogeneza u mjerilu GUT-a, gdje se nađe nova fizika (i nove čestice) na skali velikog objedinjavanja, gdje se sila elektro-slabljenja ujedinjuje s jakom silom.

Svi ovi scenariji imaju neke zajedničke elemente, pa prođite kroz posljednji, kao primjer, da vidimo što bi se moglo dogoditi.

Pored ostalih čestica u svemiru, ako se ideja velike objedinjene teorije odnosi na naš svemir, bit će dodatnih super-teških bozona, čestica X i Y, zajedno s njihovim česticama, pokazanim odgovarajućim nabojima usred vrućeg more drugih čestica u ranom Svemiru. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Ako je veliko ujedinjenje istinito, onda bi morale postojati nove, super teške čestice, nazvane X i Y, koje imaju svojstva slična barionu i leptonu. Također bi trebali postojati i njihovi antimaterijski paketi: anti-X i anti-Y, s suprotnim brojevima B - L i suprotnim nabojima, ali iste mase i vijeka trajanja. Ti parovi čestica-antičestice mogu se stvoriti u velikom obilju s dovoljno visokom energijom, a zatim će propadati u kasnijim vremenima.

Tako da se vaš Univerzum može napuniti njima, i oni će propasti. Ako imate kršenje C i CP, onda je moguće da postoje male razlike između načina raspada čestica i antičestica (X / Y naspram anti-X / anti-Y).

Ako dopustimo X i Y česticama da propadnu u prikazane kombinacije kvarkova i leptona, njihovi će se parovi protiv čestica raspadati u odgovarajuće kombinacije anti čestica. Ali ako je kršen CP, putevi propadanja - ili postotak čestica koje propadaju jednosmjerno prema drugom - mogu biti različiti za čestice X i Y u usporedbi s česticama anti-X i anti-Y, što rezultira neto proizvodnjom bariona antibarijoni i leptoni nad antileptonima. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

Ako vaša X čestica ima dva puta: propadanje u dva kvarka ili propadanje kvarka i pozitrona, tada anti-X mora imati dva odgovarajuća puta: dva anti-up kvarka ili dolje kvark i elektron. Primijetite da X ima B - L od dvije trećine u oba slučaja, dok anti-X ima negativne dvije trećine. Slično je za Y / anti-Particles. Ali postoji jedna važna razlika koja dopušta kršenje C i CP: X može biti vjerojatnije da će se raspasti u dva kvarka nego što je anti-X propasti u dva anti-up kvarka, dok bi anti-X mogao biti vjerojatnije je da će propasti u pad kvarka i elektrona nego X je da će propasti u propadanje kvarka i pozitrona.

Ako imate dovoljno parova X / anti-X i Y / anti-Y, a oni propadaju na dopušteni način, lako možete napraviti višak bariona nad antibarionima (i leptonima nad anti-leptonima) tamo gdje dosad nije bilo.

U ranom Svemiru, sve čestice i njihove čestice antimaterije bile su neobično obilne, ali kako su se Svemir ohladili, većina se uništila. Sva konvencionalna materija koja nam je danas preostala potječe iz kvarkova i leptona, s pozitivnim brojevima barijena i leptona, koji su nadmašili brojnu antikvarku i antileptonu. (E. SIEGEL / BEZ GALAKSE)

To je jedan primjer koji ilustrira kako mislimo da se to moralo dogoditi. Krenuli smo s potpuno simetričnim Svemirom, poštujući sve poznate zakone fizike i počevši s vrućim, gustim, bogatim stanjem punim i materije i antimaterije u jednakim količinama. Kroz neki mehanizam koji tek treba utvrditi, onaj koji ispunjava tri stanja Saharova, ti su prirodni procesi na kraju stvorili višak materije nad antimaterijom.

Činjenica da postojimo i izrađujemo od materije je neosporna; pitanje zašto naš Univerzum sadrži nešto (tvar) umjesto ničega (iz jednake mješavine materije i uništavanja antimaterija) još uvijek nije odgovoreno. Ovaj napredak u napretku u preciznom testiranju elektro slabljenja, tehnologiji sudara, neutrinoj fizici i eksperimentima izvan standardnog modela imaju priliku otkriti točno kako se to dogodilo. Do tada možemo biti sigurni da u Svemiru gotovo nema antimaterije, ali nitko ne zna zašto.

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.